艰险山区客运专线铁路隧道缓冲结构研究

孙春华

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

1 工程概况

宝鸡至兰州客运专线铁路位于陕西、甘肃两省，速度目标值为250 km/h。线路长度400.6 km，隧道工程总计272.2 km/73座，隧线比68%。其中特长隧道74.47 km/6座，6～10 km的长隧道63.3 km/9座，3～6 km的长隧道81.93 km/19座。1～3 km的隧道45.26 km/24座，小于1 km的隧道7.2 km/15座。

宝兰客运专线铁路沿线洞口段地形、地质条件复杂，多处隧道洞口位于城镇、村庄等居民区，且有多处洞口桥隧相连或桥台进洞。为深入研究高速铁路隧道洞口微压波特性，确定各种缓冲结构在控制微压波方面的效果，提出缓冲结构设计的合理方案，设立了科研项目进行专项研究。本文在科研项目成果基础上，结合设计过程对宝兰客运专线铁路隧道缓冲结构的研究情况进行介绍。

2 研究原理和数值计算简介

2.1 研究原理

高速列车进出隧道形成的压力波带来乘客舒适度下降、隧道洞口噪声污染、威胁隧道洞口建筑物安全等多种不利影响。压缩波与微压波形成机理见图1。

图1 压缩波与微压波形成机理

以往经验表明，阻塞比(列车断面与隧道断面的比值)大于0.2，在列车提速到200 km/h后，出现了较明显的空气噪声问题。日本人小沢智的研究报告中对多种削减措施进行了研究和测试。为减小微压波，可以在隧道口修建缓冲段，缓冲结构又分为无开口全封闭缓冲结构、有窗口的缓冲结构、开槽式缓冲结构和喇叭型缓冲结构。缓冲结构的重要参数是缓冲区长度和缓冲棚横截面积的大小。

2.2 数值计算方程

为了保证车-隧耦合气动效应计算精度，课题研究中采用粘性流体计算，并将空气视为理想气体，求解纳维-斯托克斯(Navier-Stokes)方程(以下简称为N-S方程)，得到流场的数值解。

N-S方程包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。

质量守恒方程

动量守恒方程

能量守恒方程

高速铁路隧道空气动力效应中雷诺数Re约为105，远大于4 000，处于湍流状态，因此需要引入湍流模式与N-S方程耦合求解。湍流模式采用标准的k-ε模型，标准的k-ε模型由下面方程定义。

(1)湍流粘性系数

湍流粘性系数按下式定义

(2)运输方程

湍流动能k和湍流耗散率ε可以从以下运输方程得到

3 设计典型工况及工程措施研究

3.1 等截面双侧开口缓冲结构研究

以往项目在隧道洞口修建断面扩大型缓冲结构，由于隧道断面扩大对施工工艺要求高、施工难度大，在实际过程中，一些隧道洞口难于施作。因此有必要对断面不扩大型等截面隧道洞口缓冲结构的参数优化进行研究。

笔架山隧道全长14 752 m，宝鸡端洞口设置25.5 m明洞。针对笔架山隧道洞口工程条件，建立了3种工况模型对隧道缓冲结构进行了分析。

(1)工况Ⅰ

缓冲结构长度为24 m，开口率=50.4%，双侧对称开口，见图2。

图2 缓冲结构开口布置(工况Ⅰ)示意(单位:m)

(2)工况Ⅱ

缓冲结构长度为23 m，开口率=38.7%，双侧对称开口，见图3。

图3 缓冲结构开口布置(工况Ⅱ)示意(单位:m)

(3)工况Ⅲ

缓冲结构长度为21 m，开口率=21.5%，双侧对称开口，见图4。

图4 缓冲结构开口布置(工况Ⅲ)示意(单位:m)

研究显示，设置缓冲结构以后，可以将微压波降低30%以上，相比断面扩大型效果要差;缓冲结构开口率由25.8%～27.95%变化过程中，25.8%开口方案的首波与二次波接近，属于最优方案，详见表1、图5。

表1 隧道内首波压力梯度对比(一)

图5 断面不扩大型双开口缓冲结构降低压力梯度对比曲线(双开口，200 m处测点)

3.2 等截面单侧开口缓冲结构研究

麦积山隧道全长13 932 m，兰州端地形偏压，洞口设置59 m明洞，设置缓冲结构条件困难。针对麦积山隧道洞口工程条件，建立了工况模型对隧道缓冲结构进行了分析，麦积山隧道兰州端洞口断面见图6。

根据洞口工程设置情况，选择了2个开口方案，开口形式如下。

(1)工况Ⅰ(图7)

图6 麦积山隧道兰州端洞口(单位:cm)

图7 兰州端洞门开口形式(工况Ⅰ)示意(单位:m)

(2)工况Ⅱ(图8)

图8 兰州端洞门开口形式(工况Ⅱ)示意(单位:m)

研究表明，采用侧面开口设计方案，可以取得较好效果，可以将微压波降低40%以上。详见表2。

表2 隧道内首波压力梯度对比(二)

3.3 隧道洞口设置平导式缓冲结构研究

在部分隧道洞口，地形高陡，桥隧相连，隧道洞口无设置明洞条件，在明洞段落设置缓冲结构条件极差。基于此种工况，对隧道洞口设置平导+横通道作为缓冲结构进行了研究，古城岭隧道兰州端洞口断面见图9。

图9 古城岭隧道兰州端洞口(单位:cm)

对平导式缓冲结构设计时，重点对以下设计参数进行了研究:横通道与隧道所成角度影响、横通道间距影响、横通道个数影响等。平导及横通道布置见图10。

图10 平导及横通道布置形式(单位:m)

通过对设置横通道缓解微压波的效果分析，可以得出如下主要结论。

(1)隧道双侧设置横通道工况

在隧道洞口附近设置横通道，可以有效缓解隧道出口微压波，设置4个横通道可以将微压波降低36%;

横通道与隧道成90°角(垂直)时，缓解微压波的效率略优于横通道与隧道成45°角的情况。

(2)隧道单侧设置横通道工况

相对于双侧设置横通道，单侧开口的降低效率明显降低;

设置5个横通道以后，再继续增加横通道个数对降低效率提高不明显;

将第一个横通道的位置接近隧道洞口是有利的。

4 结语

结合宝兰客运专线铁路隧道缓冲结构方案设计，针对复杂条件下隧道缓冲结构设置的关键问题进行了研究和分析。

(1)宝兰客运专线铁路隧道缓冲结构设计研究涵盖了350 km/h和250 km/h两种速度标准，为高速铁路缓冲结构的设置提供了丰富的研究经验。

(2)结合隧道复杂洞口环境特点，提出了隧道洞口段设置横通道、单侧开口等新型缓冲结构形式，解决了宝兰客运专线铁路隧道洞口缓冲结构的设计难题，扩展了缓冲结构的应用范围。

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